用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的中框架殼體的熱屏蔽歧管系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的中框架殼體的熱屏蔽歧管系統(tǒng)
[0001]關(guān)于聯(lián)邦資助研究或開(kāi)發(fā)的聲明
[0002]本發(fā)明的開(kāi)發(fā)部分地由美國(guó)能源部關(guān)于先進(jìn)渦輪機(jī)開(kāi)發(fā)計(jì)劃的合同編號(hào)為DE-FC26-05NT42644-Sub011的支持。因此，美國(guó)政府可以具有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明大體指向于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，并且更特別地指向于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的冷卻流體供給系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]典型地，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括用于壓縮氣體的壓氣機(jī)、用于將壓縮氣體與燃料混合并將混合物點(diǎn)燃的燃燒器和用于產(chǎn)生動(dòng)力的渦輪葉片組件。燃燒器經(jīng)常在可超過(guò)2，500華氏度的高溫下操作。典型的渦輪燃燒器配置使渦輪葉片組件暴露于這些高溫中。作為結(jié)果，渦輪葉片和渦輪翼片必須由能夠承受這樣的高溫的材料制成。渦輪葉片、翼片和其他部件經(jīng)常含有用于延長(zhǎng)這些物品的壽命并降低作為過(guò)高溫度的結(jié)果而故障的可能性的冷卻系統(tǒng)。
[0005]典型地，中框架殼體在壓氣機(jī)與排出殼體之間并且在一些配置中在壓氣機(jī)殼體與排出殼體之間延伸。中框架殼體經(jīng)常將壓氣機(jī)泄放空氣經(jīng)過(guò)通道輸送至渦輪轉(zhuǎn)子組件。當(dāng)中框架外殼空氣溫度超過(guò)450攝氏度時(shí)，大部分常用的鋼合金變成蠕變極限。隨時(shí)間推移，材料變得脆化并且在高于450攝氏度的溫度時(shí)遭受永久蠕變變形。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)要求增加并且峰值壓氣機(jī)排放溫度接近550攝氏度時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)合金和傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)滿足160，000小時(shí)且5，000起動(dòng)部件壽命周期閾值變得不太可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明涉及公開(kāi)一種用于壓氣機(jī)與渦輪組件之間的內(nèi)殼的熱屏蔽歧管系統(tǒng)。熱屏蔽歧管系統(tǒng)保護(hù)外殼體不受高溫壓氣機(jī)排放空氣的影響，由此使得在壓氣機(jī)與渦輪組件之間延伸的外殼體能夠由與否則的話將要求的相比不太昂貴的材料形成。另外，熱屏蔽歧管系統(tǒng)可以被配置成使得壓氣機(jī)泄放空氣被從壓氣機(jī)傳遞到熱屏蔽歧管系統(tǒng)內(nèi)而沒(méi)有經(jīng)過(guò)易發(fā)生泄漏的傳統(tǒng)凸緣-凸緣接頭。
[0007]熱屏蔽歧管系統(tǒng)可以被包括在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)并且可以包括位于轉(zhuǎn)子組件上游的一個(gè)或多個(gè)燃燒器。轉(zhuǎn)子組件可以包括從轉(zhuǎn)子徑向向外延伸的至少第一、第二排的渦輪葉片。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)還可以包括位于燃燒器上游的壓氣機(jī)并可以包括徑向向內(nèi)延伸且終止于轉(zhuǎn)子組件附近的一個(gè)或多個(gè)排的渦輪翼片。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)還可以包括與渦輪翼型連通的渦輪翼型冷卻室和從壓氣機(jī)的下游端部區(qū)域延伸至轉(zhuǎn)子組件的上游端部區(qū)域的內(nèi)殼體。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以包括位于內(nèi)殼體的徑向向外且周向上包封內(nèi)殼體的熱屏蔽壁，由此在內(nèi)殼體的外表面上形成熱屏蔽歧管。熱屏蔽壁可以與壓氣機(jī)排氣連通使得壓氣機(jī)排氣將冷卻流體供給至熱屏蔽歧管，并且與渦輪翼型冷卻室連通使得熱屏蔽歧管將冷卻流體供給至渦輪翼型冷卻室。在一個(gè)實(shí)施例中，渦輪翼型冷卻室可以是將冷卻流體提供至第二排渦輪翼片的渦輪翼片第二排冷卻空氣室。
[0008]渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)也可以包括從壓氣機(jī)的下游端部區(qū)域延伸至轉(zhuǎn)子組件的上游端部區(qū)域且周向上包封熱屏蔽壁的外殼體。在一個(gè)實(shí)施例中，熱屏蔽歧管可以通過(guò)外殼體的徑向向內(nèi)的支撐凸緣中的至少一個(gè)孔與壓氣機(jī)連通，這消除了凸緣-凸緣泄漏的可能性。在另一實(shí)施例中，跨接導(dǎo)管可以在壓氣機(jī)與熱屏蔽歧管之間延伸?？缃訉?dǎo)管可以至少部分地在從壓氣機(jī)的下游端部區(qū)域延伸至轉(zhuǎn)子組件的上游端部區(qū)域且周向上包封熱屏蔽壁的外殼體的外部延伸。熱屏蔽歧管系統(tǒng)還可以包括被配置成在冷卻流體被傳遞到熱屏蔽歧管之前使來(lái)自壓氣機(jī)的冷卻流體變冷的熱交換器。在又一實(shí)施例中，熱屏蔽歧管系統(tǒng)可以包括在壓氣機(jī)與渦輪翼型冷卻室之間延伸的排氣導(dǎo)管。排氣導(dǎo)管可以至少部分地在從壓氣機(jī)的下游端部區(qū)域延伸至轉(zhuǎn)子組件的上游端部區(qū)域且在周向上包封熱屏蔽壁的外殼體的外部延伸。
[0009]熱屏蔽歧管系統(tǒng)可以包括被配置成使壓氣機(jī)泄放流體動(dòng)態(tài)節(jié)流到跨接導(dǎo)管內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)跨接節(jié)流系統(tǒng)，或可以包括被配置成使壓氣機(jī)泄放流體動(dòng)態(tài)節(jié)流到渦輪翼型冷卻室內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)翼型冷卻室節(jié)流系統(tǒng)，或者可以包括這兩個(gè)系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，跨接節(jié)流系統(tǒng)可以由控制通過(guò)跨接導(dǎo)管的冷卻流體的流動(dòng)的至少一個(gè)閥形成。翼型冷卻室節(jié)流系統(tǒng)可以由控制通過(guò)排氣導(dǎo)管進(jìn)入渦輪翼型冷卻室內(nèi)的冷卻流體的流動(dòng)的至少一個(gè)閥。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，發(fā)明保護(hù)從壓氣機(jī)的下游端部區(qū)域延伸至轉(zhuǎn)子組件的上游端部并且周向上包封內(nèi)屏蔽件的外殼體不受高溫壓氣機(jī)排放空氣的影響。
[0011]本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)使外殼體與高溫壓氣機(jī)排放空氣屏蔽使得外殼體能夠由諸如但不限于低成本的鋼合金等的不太昂貴的材料形成。
[0012]本發(fā)明的又一優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明在壓氣機(jī)排放空氣的溫度接近或超過(guò)對(duì)于鋼的蠕變機(jī)制(creep regime)的高端或者脆化溫度的禍輪發(fā)動(dòng)機(jī)中是有用的。
[0013]本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，它可以在具有或沒(méi)有冷卻器或加熱器或兩者的狀態(tài)下使用，來(lái)調(diào)節(jié)瞬態(tài)期間的殼溫度以通過(guò)降低轉(zhuǎn)子與殼之間的熱滯后主動(dòng)地控制葉片頂端間隙。
[0014]下面更加詳細(xì)地描述這些以及其他實(shí)施例。
【附圖說(shuō)明】
[0015]被包含在說(shuō)明書(shū)中并形成其一部分的附圖圖示出當(dāng)前公開(kāi)的發(fā)明的實(shí)施例并且與描述一起公開(kāi)了發(fā)明的原理。
[0016]圖1是包括位于渦輪組件的上游并且經(jīng)由中框架內(nèi)殼體被聯(lián)接到一起的壓氣機(jī)并進(jìn)一步包括熱屏蔽歧管系統(tǒng)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分的截面?zhèn)纫晥D。
[0017]圖2是熱屏蔽歧管系統(tǒng)的另一實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D。
[0018]圖3是熱屏蔽歧管系統(tǒng)的另一實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D。
【具體實(shí)施方式】
[0019]如圖1至圖3所示，本發(fā)明指向于公開(kāi)一種用于壓氣機(jī)14與渦輪組件16之間的內(nèi)殼12的熱屏蔽歧管系統(tǒng)10。熱屏蔽歧管系統(tǒng)10保護(hù)外殼體18不受高溫壓氣機(jī)排放空氣的影響，由此使得在壓氣機(jī)14與渦輪組件16之間延伸的外殼體18能夠由與否則的話將要求的相比不太昂貴的材料形成。另外，熱屏蔽歧管系統(tǒng)10可以被配置成使得壓氣機(jī)泄放空氣被從壓氣機(jī)14傳遞到熱屏蔽歧管系統(tǒng)10內(nèi)而沒(méi)有經(jīng)過(guò)易發(fā)生泄漏的傳統(tǒng)凸緣-凸緣接頭。
[0020]熱屏蔽歧管系統(tǒng)10可以位于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)20內(nèi)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)20可由位于轉(zhuǎn)子組件24上游的一個(gè)或多個(gè)燃燒器22形成。轉(zhuǎn)子組件24可以包括從轉(zhuǎn)子32徑向向外延伸的至少第一和第二排26、28的渦輪葉片30。壓氣機(jī)14可以位于燃燒器22的上游。一個(gè)或多個(gè)排的渦輪翼片34可以徑向向內(nèi)延伸并且可以終止于轉(zhuǎn)子組件24附近。渦輪翼型冷卻室36可以與渦輪翼型38連通，并且更特別地與諸如但不限于渦輪翼片34等的渦輪翼型38內(nèi)的冷卻系統(tǒng)40連通。
[0021]內(nèi)殼體12可以從燃燒器22的下游端部區(qū)域42延伸至轉(zhuǎn)子組件24的上游端部區(qū)域44。熱屏蔽壁46可以位于內(nèi)殼體12的徑向外側(cè)。在至少一個(gè)實(shí)施例中，熱屏蔽壁46可以在周向上包封內(nèi)殼體12，由此在內(nèi)殼體12的外表面50上形成熱屏蔽歧管48。熱屏蔽壁46可以與壓氣機(jī)排氣52連通使得壓氣機(jī)排氣52將冷卻流體供給至熱屏蔽歧管48。熱屏蔽壁46也可以與渦輪翼型冷卻室36連通使得熱屏蔽歧管48將冷卻流體供給至渦輪翼型冷卻室36。在至少一個(gè)實(shí)施例中，渦輪翼型冷卻室36可以是將冷卻流體提供至第二排渦輪翼片34的渦輪翼片第二排冷卻空氣室。
[0022]熱屏蔽壁46可以由一個(gè)或多個(gè)隔開(kāi)的支撐件72支撐。隔開(kāi)的支撐件72可以從內(nèi)殼體12徑向向外延伸，并且可以在周向和軸向上間隔開(kāi)以為熱屏蔽壁46提供抵著壓力負(fù)載的支撐。隔開(kāi)的支撐件72的間距和高度可以被調(diào)整以提供熱屏蔽壁46的適當(dāng)?shù)睦錃饬鲃?dòng)需求和結(jié)構(gòu)支撐。熱屏蔽壁46的前、后端部74、76可以借助于諸如但不限于角焊(fillet weld)等的焊接被附接至外殼體18。另外，熱屏蔽46可以包括燃燒入口使得燃燒器火焰筒(combustor basket)能夠延伸穿過(guò)熱屏蔽壁46和內(nèi)殼體12。熱屏蔽壁46可以經(jīng)由對(duì)外殼18的滿箍(full hoop)角焊被焊接至燃燒入口。這些焊接防止高溫壓氣機(jī)排放空氣的流入受到熱屏蔽歧管48的影響。
[0023]熱屏蔽壁46可以由能夠承受外殼體18與熱屏蔽壁46之間的熱生長(zhǎng)差異的諸如但不限于低強(qiáng)度延展性鋼合金等的任何合適的延展性材料形成。為了抵消外殼體18與熱屏蔽壁46之間的熱應(yīng)力，犬腿部78被包含在熱屏蔽壁46的后端部76上以提供軸向柔性。犬腿部78可以圍繞內(nèi)殼體12周向地延伸。與外殼體18相似，熱屏蔽壁46可以在水平接頭處